【iOS】类对象的结构分析

- 对象的分类
- object_getClass和class方法
- isa流程和继承链分析
- - isa流程实例验证
  - 类的继承链实例验证
- 类的结构
- - cache_t结构
  - bits分析
  - 实例验证
  - - 属性properties
    - 方法methods
    - 协议protocols
    - ro
    - 类方法
  - 类结构流程图解

对象的分类

OC中的对象主要可以分为3种：实例对象（instance）、类对象（class）和元类对象（meta-class）

实例对象

通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象

NSObject* obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject* obj2 = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"%p %p", obj1, obj2);
//  打印结果：0x600000180040 0x600000180050

从运行结果可看出以上是不同的两个实例对象，分别占据着两块不同的内存
实例对象在内存中存储的信息包括：isa指针、其他成员变量

类对象

#import <objc/runtime.h>
Class objectClass1 = [obj1 class];
Class objectClass2 = [obj2 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
Class objectClass4 = object_getClass(obj1);  //Runtime API
Class objectClass5 = object_getClass(obj2);  //Runtime API
//  打印结果：0x1d6fc6070 0x1d6fc6070 0x1d6fc6070 0x1d6fc6070 0x1d6fc6070

以上都是NSObject的类对象，从运行结果可看出它们都是同一个对象，即这些指针指向的是同一块内存，每个类在内存中有且只有一个class对象
类对象在内存中存储的信息主要包括：isa指针、superclass指针、类的属性信息（@property）、类的对象方法信息（instance method）、类的协议信息（protocol）、类的成员变量（ivar，类型、名称等描述信息而不是具体的值）

元类对象

看下面如何获取元类对象（元类对象类型仍是一个类对象，底层都是struct objc_class* Class，只是包含的信息不一样）

Class objectMetaClass = object_getClass(object_getClass(obj1));

将类对象作为参数传入，再次调用object_getClass函数

那如果调用两次class方法呢？

Class objectMetaClass2 = [[NSObject class] class];
NSLog(@"%p %p %d", objectMetaClass, objectMetaClass2, class_isMetaClass(objectMetaClass));
//  打印结果：0x1d6fc6020 0x1d6fc6070 1 0

从打印结果可以看出，class不管调多少次返回的一直是类对象，不会是元类对象
每个类只有一个元类对象，元类对象在内存中存储的信息主要包括：isa指针、superclass指针以及类方法信息

object_getClass和class方法

查看objc4源码

object_getClass方法中传入各种对象，通过访问isa，返回不同的类对象：

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

//  传入类名字符串，返回对象的类对象
Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;

    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}

class方法直接返回类对象：

//+ (id)self {
//    return (id)self;
//}
//- (id)self {
//    return self;
//}

+ (Class)class {
    return self;
}

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

//+ (Class)superclass {
//    return self->getSuperclass();
//}
//- (Class)superclass {
//    return [self class]->getSuperclass();
//}

isa流程和继承链分析

上面我们了解了对象的分类，认识到不同类型对象的差别，那么是什么让这些不同类型的对象联系起来从而构成OC对象体系的呢？

上经典老图：

请添加图片描述

isa指向链

实际上就是isa指针将它们联系起来形成 isa指向链：

实例对象instance的isa指向类class
类对象class也有isa指向的是元类meta
元类meta中也有isa指向的是根元类root meta

在这里插入图片描述
当调用对象方法时，通过实例对象的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用
当调用类方法时，通过类对象的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

类继承链

根据superclass的指向，也可总结出OC类的继承链：

子类继承于父类，父类继承于根类，根类指向的是nil
在元类中也存在继承，子类的元类继承于父类的元类，父类的元类继承于根元类，根元类又继承与根类

在这里插入图片描述

当Student的实例对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用

类似地，当Student的类对象要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superclass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

isa流程实例验证

Person类继承于NSObject，Student类继承于Person

@interface Person : NSObject {
    @public
    int _age;
}

- (void)personInstanceMethod;
+ (void)personClassMethod;

@end

@interface Student : Person {
    @public
    int _no;
}

- (void)studentInstanceMethod;
+ (void)studentClassMethod;

@end

打断点，通过LLDB查看isa关联类的地址：

//  打印出实例的地址
Person* person = [Person alloc];
NSLog(@"%@", person);
Student* student = [Student alloc];
NSLog(@"%@", student);

类对象的地址和实例对象isa所指向的地址有所出入，isa需要进行一次位运算，才能计算出类对象的真实地址
在获取到对象的isa值后，可以通过&（按位与）一个掩码ISA_MASK 0x007ffffffffffff8ULL来获取到对象关联的类地址：

根据student实例的isa地址找到关联类Student的地址0x00000001000082d8

在这里插入图片描述

同样地，根据Student类对象的isa找到Student元类的地址0x00000001000082b0

在这里插入图片描述

根据Student元类对象的isa找到关联类的地址0x00000001d6fc6020

在这里插入图片描述

找到NSObject类对象的isa关联类地址0x00000001d6fc6020，与Student元类对象的isa关联类地址一致，可以验证元类的isa指向根元类，且根元类的isa指向自己

在这里插入图片描述

类的继承链实例验证

Class tClass = [Student class];
Class pClass = class_getSuperclass(tClass);
Class nClass = class_getSuperclass(pClass);
Class rClass = class_getSuperclass(nClass);
NSLog(@"\n tClass-%@ \n pClass-%@ \n nClass-%@ \n rClass-%@ \n", tClass, pClass, nClass, rClass);

在这里插入图片描述
可看出类对象的继承链：Student->Person->NSObject->nil

Student * student = [Student alloc];
Class tClass = object_getClass(student);
Class mtClass = object_getClass(tClass);
Class mtSuperClass = class_getSuperclass(mtClass);
NSLog(@"\n student %p 实例对象 -- %p 类 -- %p 元类 -- %p 元类父类", student, tClass, mtClass, mtSuperClass);
Person * person = [Person alloc];
Class pClass = object_getClass(person);
Class mpClass = object_getClass(pClass);
Class mpSuperClass = class_getSuperclass(mpClass);
NSLog(@"\n person %p 实例对象 -- %p 类 -- %p 元类 -- %p 元类父类", person, pClass, mpClass, mpSuperClass);
NSObject * obj = [NSObject alloc];
Class objClass = object_getClass(obj);
Class mobjClass = object_getClass(objClass);
Class mobjSuperClass = class_getSuperclass(mobjClass);
NSLog(@"\n NSObject %p 实例对象 -- %p 类 -- %p 元类 -- %p 元类父类 == %p NSObject类对象", obj, objClass, mobjClass, mobjSuperClass,
[NSObject class]);

在这里插入图片描述

可看出元类的继承链：Student Meta-class -> Person Meta-class -> NSObject Meta-class -> NSObject class -> nil

类的结构

前面我们了解到了Class的类型是struct objc_class*结构体指针类型，下面就来分析一下这个结构体的定义

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
	//  ...其他代码，objc_class定义共计531行代码...
};

继承于objc_object说明：

还有一个继承过来的Class类型变量isa
superclass：指向父类的指针
cache：缓存相关
bits：用于获取具体的类信息

cache_t结构

cache_t是一个结构体

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask; // 8字节
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask; // uint32_t 4字节
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;     // 2字节
#endif
            uint16_t                   _occupied;  // 2字节
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;  // 8字节
    };
 };
//  此段为部分代码，cache_t定义总共有290行

分析整个cache_t的结构，发现cache_t的内存总共为16字节，后面会对其底层进行学习

bits分析

在objc_class里有一段源码是data操作

class_rw_t *data() const {
    return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
    bits.setData(newData);
}

data为class_rw_t类型，下面是其部分源码：

在这里插入图片描述

ro：成员变量、methods：方法、properties：属性、protocols协议
我们在类中定义的方法、属性等就是通过调取class_rw_t结构体中的方法获取的

实例验证

下面通过实例来验证一下类的结构是否如上面一致
创建Person类继承于NSObject，定义一些属性、方法以及协议：

@protocol PersonDelegate<NSObject>

- (void)personDelegateMethod;
// 让Person类遵守并实现此协议方法
@end

@interface Person : NSObject<PersonDelegate> {
    NSString* hobby;
}

@property (nonatomic, strong)NSString* name;
@property (nonatomic, assign)NSInteger age;

- (void)sayHello;
+ (void)sayWorld;

@end

LLDB调试输出

请添加图片描述

第一个地址0x0000000100008470是类的第一个成员isa，第二个地址0x00000001d6fc6070是类的第二个成员superclass
isa和superclass都是结构体指针类型，占用8字节，cache结构体占用16字节，XYPerson的地址加上8 + 8 + 16 = 32就可以得到bits的地址

请添加图片描述

相加并强转为class_data_bits_t *类型得到bits的地址0x0000000100008270，再调用data()方法就得到类型为class_rw_t的地址

属性properties

调用class_rw_t的properties()方法，得到property_array_t类型的数组，继承于list_array_tt，找到list下的ptr

请添加图片描述

class property_array_t :
    public list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr>
{
    typedef list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr> Super;

 public:
    property_array_t() : Super() { }
    property_array_t(property_list_t *l) : Super(l) { }
};

ptr为property_list_t类型，继承于entsize_list_tt

struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};

entsize_list_tt部分源码：

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;  //  数量

    uint32_t entsize() const {
        return entsizeAndFlags & ~FlagMask;
    }
    uint32_t flags() const {
        return entsizeAndFlags & FlagMask;
    }

    Element& getOrEnd(uint32_t i) const {
        ASSERT(i <= count);
        return *PointerModifier::modify(*(List *)this, (Element *)((uint8_t *)this + sizeof(*this) + i*entsize()));
    }
    Element& get(uint32_t i) const {  //  获取元素方法
        ASSERT(i < count);
        return getOrEnd(i);
    }
    //  ...其他代码...
};

通过调用get()方法，获取元素，下面的结果就是Person类的name、age在properties()里，而实例变量hobby不在这里

请添加图片描述

方法methods

调用class_rw_t的methods()方法，得到method_array_t类型的数组，继承于list_array_tt，同样找到list下的ptr

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这里看到ptr是method_list_t类型，同样继承于entsize_list_tt，其中有count为6，调用get()方法查看输出

请添加图片描述

这里的元素为method_t类型，method_t为结构体类型，其中的一个成员变量为big的结构体，里面是方法名称等信息：

struct method_t {
    method_t(const method_t &other) = delete;

    // The representation of a "big" method. This is the traditional
    // representation of three pointers storing the selector, types
    // and implementation.
    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    };
//  ...其他代码
};

调用big方法查看输出

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这6个方法分别是：

实例方法：sayHello
属性name、age的set/get方法
C++析构函数：.cxx_destruct

且都是实例方法，并没有类方法sayWorld

协议protocols

调用class_rw_t的protocols()方法，得到protocol_array_t类型的数组，继承于list_array_tt，同样找到list下的ptr

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这里protocol_list_t并没有继承于entsize_list_tt：

struct protocol_list_t {
    // count is pointer-sized by accident.
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0]; // variable-size

    size_t byteSize() const {
        return sizeof(*this) + count*sizeof(list[0]);
    }

    protocol_list_t *duplicate() const {
        return (protocol_list_t *)memdup(this, this->byteSize());
    }

    typedef protocol_ref_t* iterator;
    typedef const protocol_ref_t* const_iterator;

    const_iterator begin() const {
        return list;
    }
    iterator begin() {
        return list;
    }
    const_iterator end() const {
        return list + count;
    }
    iterator end() {
        return list + count;
    }
};

看到protocol_list_t的定义，我们知道count值为1，说明是有值，但是其成员是protocol_ref_t为uintptr_t类型，那怎么输出查看这个count中的1到底是什么呢

在这里插入图片描述

查看protocol_ref_t的定义，通过注释信息，我们可以看到protocol_ref_t未映射到protocol_t类型，那我们就找protocol_t的定义

在这里插入图片描述
这里看到protocol_t中有mangledName以及instanceMethods等，只要得到protocol_t就可以输出我们想要的名称方法等信息，怎么才能从protocol_ref_t映射到protocol_t呢，全局找一下吧

在这里插入图片描述

这里我们看到，protocol_ref_t是可以强转protocol_t的，那我们就试试：

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强转成功，调用demangledName方法，我们就得到了LGPersonDelegate，那我们再找一下协议方法

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按照method查看输出的步骤，成功找到协议方法personDelegateMethod

ro

调用class_rw_t的ro方法，得到class_ro_t的结构体

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查看ivars，也是继承于entsize_list_tt的ivar_list_t类型的结构体，调用get方法查看：

请添加图片描述

这6个实例变量分别是自定义hobby以及系统自动帮我们自动生成的带有_的实例变量

类方法

methods中的方法全部都存在类中，都是实例方法，那么类方法应该去在元类中找

请添加图片描述

通过类的isa指针找到元类，再根据上面的步骤找到并输出这个元类的methods

这里我们不由地想，OC的底层是C/C++实现的，不存在对象方法和类方法的区分，有的都是函数实现，在OC的设计中，一个类可以new出无数个对象，因此把方法存在类中，而不是动态创建的对象中，是合理的。
因为OC的对象方法和类方法的定义是-和+的区分，那么方法名称就会有重名的存在，因此才会引入元类的概念，元类的存在就是解决类方法重名的问题